Fakten zum Frequency‐Reuse (1)

(1)

Konstruktion von Frequency‐Reuse‐Patterns (1)

(2)

Konstruktion von Frequency‐Reuse‐Patterns (2)

(3)

Fakten zum Frequency‐Reuse (1)

Anzahl c verfügbarer Frequenzen pro Zelle bei k gegebenen Frequenzen und einem Frequency‐Reuse‐Pattern mit n Zellen:

Die Anzahl n der Zellen in einem Frequency‐Reuse‐Pattern erfüllt immer:

Damit sind Frequency‐Reuse‐Patterns mit folgenden Größen

möglich: 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, ...

(4)

Fakten zum Frequency‐Reuse (2)

Definiere

• d = minimale Distanz zwischen Zellzentren von Zellen, welche dieselbe Frequenz verwenden.

• r = Zellenradius

• b = Distanz zwischen Zellzentren von unmittelbar benachbarten Zellen

• n = Anzahl Zellen in einem Frequency‐Reuse‐Pattern

Es gelten folgende Zusammenhänge:

(5)

Erhöhen der Netzkapazität

Netzkapazität: von Interesse sind hier sowohl Bandbreite als auch Latenz.

Hinzufügen neuer Kanäle – erhöht offensichtlich die gesamte Netzkapazität

Frequency‐Borrowing – Ausleihen ungenutzter Frequenzen von Nachbarzellen

Cell‐Splitting – Aufteilen von Zellen mit gewöhnlich hohem Verkehrsaufkommen in kleinere Zellen.

Cell‐Sectoring – Aufteilen einer Zelle in Sektoren mittels

Sektorantennen

(6)

Macro‐Zellen und Micro‐Zellen

Zellen mit besonders kleiner Abdeckung bezeichnet man auch als Micro‐Cells. Ansonsten spricht man von Macro‐Zellen.

Typische Parameter 1995 nach Anderson et al. [1]

(Delay‐Spread = Zeit, zwischen erstem und letzem Empfang eines Signals im Fall von Mehrwegeausbreitung)

[1] Anderson, Rappaport, Yoshida, „Propagation Measurements and Models for Wireless Communicaiton Channels“, IEEE Communicaitons Magazine, 1995.

Macro‐Zellen Micro‐Zellen

Zellradius 1 – 20 km 0,1 – 1 km

Übertragungsleistung 1 – 10 W 0,1 – 1 W

Mittlerer Delay‐Spread 0.1 – 10 s 10 – 100 ns

Maximale Bit‐Rate 0.3 Mbps 1 Mbps

(7)

Übersicht

• Zellgeometrie

• Frequency‐Reuse

• Übliche Systemfunktionen

• Ausbreitungsmodelle

• Traffic‐Engineering

• Beispiel GSM

• Beispiel UMTS

(8)

Übersicht eines zellularen Systems

Systemkomponenten

• Base‐Station (BS)

• Mobile‐Unit

• Mobile Telecommunications Switching Office (MTSO) Kanäle

• Control‐Channels: Aufbau und Aufrechterhaltung von Verbindungen

• Traffic‐Channels: Übertragung von Sprach‐ und Datenverkehr

Bildquelle: William Stallings, „Wireless Communications & Networks“, Second Edition, Pearson Prentice Hall, 2005

(9)

Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung

• BS senden Broadcast auf unterschiedlichen Setup‐

Kanälen

• Eingeschaltete Mobile‐Unit beobachtet die Setup‐Kanäle

• Mobile‐Unit wählt BS mit dem besten Empfang

• Handshake zwischen Mobile‐

Unit und BS zur Identifikation und Ortsregistrierung

• Vorgang wird aufgrund von Gerätemobilität periodisch wiederholt.

• Mobile‐Unit bleibt somit immer der besten BS zugeordnet

Mobile‐Unit‐Initialization

(10)

Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung

• Mobile‐Unit überprüft

Information im BS‐Forward‐

Channel

• Wenn bzw. sobald Kanal frei, dann sende Verbindungsanfrage mit Nummer des Zielgerätes an MTSO über Backward‐Channel der BSS

Mobile‐Originated‐Call

(11)

Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung

• MTSO sendet Paging‐Nachricht an BS, in denen gerufene Mobile‐Unit erwartet wird

• Beauftragte BS senden Paging‐

Nachricht mittels Broadcast über den eigenen Setup‐Channel in ihre Zelle

Paging

(12)

Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung

• Broadcast mit eigener Nummer wird von Mobile‐Unit auf dem

Setup‐Channel seiner aktuellen BS erkannt

• Zum Broadcast zugehörige BS wird benachrichtigt

• BS leitet Antwort an MTSO weiter

• MTSO schaltet eine

Leitungsverbindung zwischen den Kommunikationsendpunkten

• MTSO wählt passende Traffic‐

Channel in den beiden BS aus

• MTSO informiert dann die BS

• BS informieren dann die Mobile‐

Units

Call‐Accepted

(13)

Übliche Schritte einer Kommunikationssitzung

• Sprach‐ und Datenaustausch über den aufgebauten Mobile‐Unit‐BS‐

MTSO‐BS‐Mobile‐Unit‐Pfad

• Mobilität kann zu Zellwechsel führen. Verbindung bleibt mittels Handoff in andere Zelle (BS) ohne Nutzerbenachrichtigung erhalten

Ongoing‐Call Handoff

(14)

Weitere Systemfunktionen

Call‐Blocking – Mobile‐Unit unternimmt mehrere

Verbindungsaufbauversuche, wenn alle Traffic‐Channels belegt sind.

BS signalisiert der Mobile‐Unit nach mehreren Fehlversuchen einen Busy‐Tone.

Call‐Termination – Beendet eine Mobile‐Unit die Verbindung, wird MTSO informiert. MTSO gibt Traffic‐Channels an beiden BS wieder frei.

Call‐Drop – Bei sehr schlechter Verbindungsqualität wird die Verbindung gestoppt und die MTSO informiert.

Call‐to/from fixed and remote mobile subscriber – MTSO stellt auch Verbindungen ins Telefonnetz oder zu Mobile‐Unit mit anderer

zugeordneter MTSO her.

(15)

Handoff (1)

Handoff – Vorgang ein mobiles Gerät von einer Zelle in eine benachbarte weiter zu reichen

• Network‐initiiert – nur basierend auf Messungen der empfangenen Signale der mobilen Station

• Mobile‐Unit‐gestützt – Signalstärkemessungen auf der mobilen Station werden an Basisstation zurückgeführt

Mögliche berücksichtigte Performancemaße für Handoff‐Entscheidungen

• Cell‐Blocking‐Wahrscheinlichkeit

• Call‐Dropping‐Wahrscheinlichkeit

• Call‐Completion‐Wahrscheinlichkeit

• Wahrscheinlichkeit eines nicht erfolgreichen Handoffs

• Handoff‐Blocking‐Wahrscheinlichkeit

• Handoff‐Wahrscheinlichkeit

• Handoff‐Rate

• Unterbrechungsdauer

• Handoff‐Verzögerung

(16)

Handoff (2)

Genereller Parameter für Handoff‐Entscheidungen – Signalstärke (gemittelt) Handoff‐Strategien

• Relative Signalstärke

• Relative Signalstärke mit Schwellwert

• Relative Signalstärke mit Hysteresis

• Relative Signalstärke mit Hysteresis und Schwellwert

• Vorhersagetechniken

Achtung: Handoff ist aufgrund von Sendeleistungskontrolle noch komplizierter

(17)

Sendeleistungskontrolle

Wozu benötigt man Sendeleistungskontrolle?

• Kompensation von Pfadverlust und allen weiteren Signalstärkedämpfenden Effekte

• Vermeiden von Cochannel‐Interferenz mit benachbarten Mobilfunkzellen

• Ausbalancieren der Signalstärken an der Basisstation bei CDMA‐

basierten Systemen Generelle Techniken

• Open‐Loop – Messung eines permanenten „Pilot‐Signals“ der Basisstation an der Mobilstation; Umgekehrt proportionale Anpassung der Sendeleistung der Mobilstation; Annahme Vorwärts‐ und Rückwärtskanäle sind korreliert.

• Closed‐Loop –Basisstation misst Signal der Mobilstation;

Leistungseinstellung an der Mobilstation wird der Mobilstation über einen Kontrollkanal kommuniziert.

(18)

Übersicht

• Zellgeometrie

• Frequency‐Reuse

• Übliche Systemfunktionen

• Ausbreitungsmodelle

• Traffic‐Engineering

• Beispiel GSM

• Beispiel UMTS

(19)

Okumura/Hata Ausbreitungsmodell (1)

Original‐Modell nach Okumura und von Hata nochmals überarbeitet.

Ausbreitungsmodell für zellulare Netze basierend auf empirischen Daten zu Messungen in Tokyo.

L_dB = 69.55 + 26.16 log f_c – 13.82 log h_t – A(h_r) + (44.9 – 6.55 log h_t) log d

f_c = Carrier‐Frequenz in MHz (150 bis 1500 MHz)

h_t = Höhe der übertragenden Antenne (Basis‐Station) in m (30 bis 300 m)

h_r = Höhe der empfangenden Antenne (Mobile‐Unit) in m (1 bis 10 m) d = Distanz zwischen den Antennen in km (1 bis 20 km)

A(h_r) = Korrekturfaktor für die Höhe der Antenne der Mobile‐Unit

(20)

Okumura/Hata Ausbreitungsmodell (2)

Der Korrekturfaktor A(h

_r

) für Städte kleiner bis mittlerer Größe:

A(h

_r

) = (1.1 log f

_c

– 0.7) h

_r

– (1.56 log f

_c

– 0.8) dB Der Korrekturfaktor A(h

_r

) für große Städte:

A(h

_r

) = 8.29 [log (1.54 h

_r

)]

²

– 1.1 dB für f

_c

<= 300 MHz

A(h

_r

) = 3.2 [log (11.75 h

_r

)]

²

– 4.97 dB für f

_c

> 300 MHz

(21)

Okumura/Hata Ausbreitungsmodell (3)

Ist der Pfadverlust für eine Stadt nach obigem Modell L

_dB

, so ergibt sich als Schätzung des Pfadverlustes L‘

_dB

für

entsprechende vorstädtische Gebiete

L‘

_dB

= L

_dB

– 2 [log (f

_c

/ 28)]

²

– 5.4

Für offene Gebiete wird der Pfadverlust L‘‘

_dB

wie folgt geschätzt

L‘‘

_dB

= L

_dB

– 4.78 (log f

_c

)

²

– 18.733 (log f

_c

) – 40.98

(22)

Übersicht

• Zellgeometrie

• Frequency‐Reuse

• Übliche Systemfunktionen

• Ausbreitungsmodelle

• Traffic‐Engineering

• Beispiel GSM

• Beispiel UMTS

(23)

Motivation und Begriffsbildung

Zellkapazität – Anzahl der mobilen Geräte, die gleichzeitig bedient werden können.

Beispiel FDMA‐System: jedes aktive mobile Gerät benötigt eine Frequenz. Zellkapazität = Anzahl der verfügbaren Frequenzen.

Traffic‐Engineering – geeignetes dimensionieren von

Zellkapazität für erwartete Verkehrslasten (Konzepte wurden auch schon für drahtgebundene geswitchte Telefonnetze

entwickelt)

Zwei generelle Systemkonzepte: L potentielle Kunden (mobile Geräte) und Zellkapazität für N Kunden. Das System bezeichnet man als

• non‐blocking, wenn L <= N

• blocking, wenn L > N

(24)

Traffic‐Engineering in Blocking‐Systemen

Blocking‐Wahrscheinlichkeit

• Wahrscheinlichkeit, dass ein Anruf geblockt wird

• Alternativ: welche Zellkapazität wird für eine gegebene Blocking‐Wahrscheinlichkeit mindestens benötigt

Blocking‐Delay (falls geblockte Anrufe in einer Warteschlange warten)

• Wartezeit eines geblockten Anrufes

• Alternativ: welche Zellkapazität wird für einen gegebenen

Blocking‐Delay mindestens benötigt

(25)

Relevante Traffic‐Engineering Konzepte

Zwei Parameter bestimmen die einem System zugeführte Last

 – mittlere Rate von Verbindungsanfragen pro Zeiteinheit h – mittlere benötigte Bedienzeit pro erfolgreichem Anruf

Diese Parameter definieren zusammen die Verkehrsintensität A

Zellkapazität N interpretiert als Anzahl Bediener eines Multi‐Server‐

Systems (vgl. Warteschlangentheorie) ergibt

mit  = Zeitanteil, die ein Server belegt ist (im FDMA‐Beispiel zu beginn also die Wahrscheinlichkeit, dass eine Frequenz belegt ist)

(26)

Beispiel

Mittlere Anzahl Anrufe pro Minute = 20

Mittlere Bedienzeit pro erfolgreichem Anruf = 3 min Dies ergibt eine Verkehrsintensität A von:

Für ein System mit einer Kapazität von N = 120 Kanälen ergibt sich eine mittlere Auslastung  pro Kanal:

Ein System mit einer Kapazität von 50 Kanälen wäre überlastet.

Ein System mit einer Kapazität von 60 Kanälen wäre voll ausgelastet. Zu Zeiten hoher Last jedoch inadäquat

dimensioniert.

(27)

Beispiel: Empirische Bestimmung der Verkehrsgrößen

Die mittlere Ankunftsrate und mittlere Bedienzeit h pro erfolgreichem Anruf ist in diesem Beispiel:

Achtung:  ist so nur im Nonblocking‐Fall korrekt geschätzt!

(28)

Systemdimensionierung in der Praxis

Dimensionierung des Systems, um die mittlere Last zu Spitzenlastzeiten bedienen zu können.

Spitzenlastzeit – 60‐Minutenperiode an einem Tag (gemittelt über viele Tage), an dem die Last am höchsten ist.

Empfehlung der ITU‐T: statistisches Mittel über die Last der Spitzenlastzeiten der 30 Tage im Jahr, in denen die Last am höchsten war.

Praxis in Nordamerika: wie oben nur 10 Tage im Jahr.

Achtung: gemessen wir immer die bediente Last; die tatsächliche angebotene Last lässt sich daraus nur abschätzen.

(29)

Verkehrsmodelle

Verkehrsmodell hängt von zwei wesentlichen Faktoren ab:

• Wie werden geblockte Anrufe behandelt?

• Wie viele Verkehr generierende Quellen gibt es?

Behandlung von geblockten Anrufen

• Lost‐Calls‐Delayed (LCD) – geblockte Anrufe werden in einer Warteschlange bis zur Bedienung gepuffert

• Ein geblockter Anruf wird einfach verworfen: hier gibt es zwei Varianten

– Lost‐Calls‐Cleared (LCC) – Benutzer hängt auf und versucht es nach einer zufälligen Zeit wieder

– Lost‐Calls‐Held (LCH)– Benutzer macht unmittelbar darauf den nächsten Anrufversuch

LCC‐Modell wird häufig für die Analyse von zellularen Netzen angenommen

(30)

Verkehrsmodelle

Verkehrsmodell hängt von zwei wesentlichen Faktoren ab:

• Wie werden geblockte Anrufe behandelt?

• Wie viele Verkehr generierende Quellen gibt es?

Infinite‐Source‐Model – es wird eine feste Ankunftsrate  angenommen

Finite‐Source‐Model – Ankunftsrate hängt davon ab wie viele

Nutzer schon aktiv sind.

(31)

Verkehrsmodelle

Annahme: System mit L Nutzern. Jeder Nutzer erzeugt mittlere Last der Größenordnung  / L.

Was ist die mittlere Ankunftsrate, wenn das System noch leer ist?

Was ist die mittlere Ankunftsrate, wenn schon K Nutzer im System sind?

[Infinite‐Source‐Modell analytisch einfacher handhabbar; keine Abhängigkeit von Nutzer im System; sinnvoll, wenn Anzahl

Quellen mindestens 5 bis 10 mal höher als die Systemkapazität ist.]

(32)

Beispiel: LCC und Infinite‐Source

Es seien:

A = dem System angebotene Last in Erlang

N = Anzahl Bediener (d.h. Anzahl verfügbarer Kanäle; ein Kanal pro Nutzer)

Die Blocking‐Wahrscheinlichkeit P (Grade‐of‐Service) ist: (Erlang‐B‐

Formel)

[Bemerkung: Zusammenhang zwischen angebotener Last A und bedienter Last C:

]

(33)

Erlang‐B‐Formel

(34)

Übersicht

• Zellgeometrie

• Frequency‐Reuse

• Übliche Systemfunktionen

• Ausbreitungsmodelle

• Traffic‐Engineering

• Beispiel GSM

• Beispiel UMTS

(35)

Erinnerung: Mobilfunkgeneration

• 1G: Ursprüngliche zellulare Netze auf der Basis von analogen Kanälen (Sprache wird auf

Trägerfrequenz aufmoduliert). Mehrfachzugriff über FDMA.

• 2G: Weiterentwicklung von 1G im Bezug auf

– bessere Signalqualität, höhere Datenraten für digitale Datenübertragung, höhere Kapazität

– Wesentliche Unterschiede zu 1G

• Digitale Kanäle

• Verschlüsselung

• Fehlerdetektion‐ und korrektur

• Kanalzugriff: FDMA plus TDMA (z.B. GSM) bzw. FDMA plus CDMA (z.B. IS‐95)

(36)